Во многих работах по перспективам развития космонавтики выдвигается тезис о неограниченности возможностей человека в его усилиях по исследованию и освоению космоса. Так ли это — вопрос философский. Но в каждый конкретный момент времени наши возможности ограничены.

 Пределы возможностей заданы накопленными научными знаниями, фундаментальными константами и, самое главное, представимым уровнем развития технологий передвижения в космическом пространстве. Исходя из этого, можно сформули­ровать вопрос о способах передвижения в космическом пространстве, находя­щихся на границе наших возможнос­тей. Общепринято, что традиционные ракетно-космические системы поз­воляют в приемлемые сроки достичь любой точки Солнечной системы. А вот технологии преодоления огром­ных пространств между Солнечной и ближайшими планетными системами находятся на грани возможного. Где же эта грань находится сегодня?

Главные характеристики космического двигателя

Удельный импульс - характеристика реактивного двигателя, равная отношению создаваемого им импульса (количества движения) к расходу топлива. Чем больше удельный импульс, тем меньше топлива надо потратить, чтобы получить определённое количество движения. Единица измерения – м/с. Двигатели на реактивной тяге с ЖТ Начнём с жидкотопливных двигателей на реактивной тяге, то есть с тех, которые использует человечество в данный момент.

Жидкостные ракетные двигатели имеют более высокие тяговые характеристики, чем твердотопливные. Поэтому их применяют для вывода космических ракет на орбиту вокруг Земли и на межпланетные перелёты. Основными видами жидкого топлива для ракет являются керосин, гептан (диметилгидразин) и жидкий водород. Удельный импульс таких двигателей составляет 4500 м/с.

Ядерные и аннигиляционные двигатели

Ядерный ракетный двигатель — реактивный двигатель, рабочее тело в котором (например, водород, аммиак и др.) нагревается за счет энергии, выделяющейся при ядерных реакциях (распада или термоядерного синтеза). Различают радиоизотопные, ядерные и термоядерные ракетные двигатели. Ядерные ракетные двигатели позволяют достичь значительно более высокого (по сравнению с химическими ракетными двигателями) значения удельного импульса благодаря большой скорости истечения рабочего тела (от 8 000 м/с до 50 км/с и более). Но почему ЯРД в несколько раз эффективнее ЖРД? Ведь он гораздо сложнее, имеет во много раз большую массу, нуждается в специальных системах защиты и безопасности, громоздок. Дело в том, что в реакторе можно разогревать любой газ, а энергетическая эффективность ракетного двигателя тем выше, чем это рабочее тело имеет меньшую молекулярную массу. Вот и получается, что если в ЯРД применить водород, то скорость истечения его из сопла будет в 3 раза выше, чем в лучшем кислородно-водородном ЖРД.

 Ещё одним видом реактивного двигателя является аннигиляционный двигатель. Среди плеяды вариантов межзвёздного привода корабли, использующие аннигиляцию, являются, пожалуй, самыми фантастическими из реальных и самыми реальными из фантастических. Этот двигатель устроен подобно ядерному, только наряду с ядерными реакциями, происходящими там, масса энергии будет поступать от аннигиляции антивещества. Ведь всем известно, что в 0.1 грамме антивещества находится столько же энергии, сколько в топливных баках американского шаттла. Осталось только научиться получать, хранить и использовать антивещество. Что до получения, то антивещество успешно создают в таких лабораториях, как Fermilab в Чикаго и CERN в Швейцарии. Однако годовая наработка антивещества исчисляется в нанограммах (при цене $10 триллионов за грамм), что крайне мало даже для межпланетных путешествий, несмотря на чудовищную мощность аннигиляции. Также существуют проекты таких двигателей, как: ионный двигатель, плазменный двигатель, прямоточный двигатель, термоэлектрический двигатель и многие другие.

Двигатели, основанные на гипотетических предположениях

К двигателям, основанным на гипотетических предположениях, относятся в основном те двигатели, которые предполагают использование искажения пространства и времени (гиперпространство), полёты на сверхсветовых скоростях. Для начала необходимо ввести небольшое определение гиперпространства. Гиперпространство — часто фигурирующая в фантастической литературе метрика Вселенной, в которой возможно движение со сверхсветовой скоростью. По всей видимости, принцип его «работы» аналогичен «кротовой норе» в эйнштейновом пространстве-времени, по которой в некоторых гравитационных теориях возможен тоннельный переход.

Представьте, что перед вами долина, а вам нужно попасть в точку за долиной. Поскольку вы можете перемещаться только по плоской поверхности (в 2-мерном пространстве), то вам придётся или обходить препятствие или спускаться в долину, переходить её, а затем подниматься. А вот если в вашем распоряжении самолёт, который может двигаться в 3-мерном пространстве, то вы доберетесь туда, куда вам нужно, по прямой.

Еще одним вариантом движения в гиперпространстве является искажение нашего (Евклидова) пространства. Представим, что нам нужно попасть из А в Б по прямой, преодолев расстояние S, приложив силу F к космическому кораблю. Как будет показано позже, на это уйдут многие годы. А если приложить вектор силы не к кораблю, а к пространству?...

Проблема современных космических перелётов

Изучив различные двигатели, вы наверняка хотите спросить: а с какой скоростью они летают, а какие расстояния они могут преодолеть, а насколько безопасны они для человека? Постараемся дать исчерпывающие объяснения на все эти вопросы. Скорость полёта корабля зависит от различных характеристик. Назовем их. Масса. Чем меньше масса корабля, тем больше его ускорение и, следовательно, максимальная скорость. Поэтому в наше время космические корабли стараются сделать как можно легче. Но несмотря на это, скорость кораблей, использующих жидкое топливо, не превышает 17 км/с, а удельный импульс в среднем составляет 4500 м/с. Что очень и очень мало для межзвездных путешествий и даже для полётов внутри солнечной системы. Во время противостояния Марса время полёта до него по прямой составит 0,52*149600000/17=4 576 000 сек = 53 дня. И это без учета время разгона, торможения, формы траектории и т.д. Используемое топливо. Чем сильнее выделение энергии топливом, тем скорость корабля будет больше. Для этого учёные многих стран и пытаются использовать топливо, «богатое» энергией. Конечно, первым претендентом стало ядерное топливо. И проект первого ядерного двигателя.

Удельный импульс такого двигателя колеблется от 8 км/с до 50 км/с. Эти показатели намного лучше предыдущих, но всё равно не достаточны для звёздного путешествия. При таких скоростях путешествие до Марса, по аналогичной схеме, будет продолжаться чуть больше 4 дней, а путешествие до Альфы Центавра, не учитывая отклонений, - 6450 лет. Не сказать, что это недолго. У двигателей, использующих аннигиляцию, удельный импульс больше, чем у простого ядерного, и составляет 135 км/с. Вся сложность состоит в самом антивеществе. Но даже при такой скорости полёт до нашей любимой Альфы Центавра займёт 2532 года. Ну что ж, будем искать подходящий двигатель дальше. На очереди «Орион», космический корабль, проект которого предложили учёные из NASA. Так, в проекте позади корабля (на расстоянии от 10 до 100 метров) предлагалось взрывать по 5 миниатюрных ядерных бомб в секунду, удары которых амортизировала бы массивная пластина, установленная на направляющих. Идея, конечно, безумная, и наличия экипажа не предполагала, но была эффективной. Удельный импульс в такой установке должен был быть огромен, но по понятным причинам работы прекратились.

Ещё один претендент на лучший космический двигатель - проект «Дедал» (Daedalus) — двухступенчатый корабль на термоядерном горючем, которое авторы предложили добыть «всего-навсего» из атмосферы Юпитера, что само по себе является фантастической, пока, задачей. Предполагалось, что в течение всего полёта корабль будет разгонять мощный лазер, посылаемый с Земли, точнее, со спутника или с Луны. По расчётам, лазер определённой мощности мог бы разогнать тысячетонный пилотируемый корабль с парусом диаметром в тысячу километров до солидной скорости, позволяющей достичь Альфы Центавра за 10 лет. Всё очень просто. За исключением самой малости — нужен лазер на 10 миллионов гигаватт, что на много порядков больше суммарной мощности земных электростанций. Отличным космическим двигателем считается разрабатываемый в 70-х годах в СССР плазменный (он же электроракетный) двигатель. Простейшие электроракетные двигатели разогревают газ перед истечением электрической дугой или раскаленной током проволокой. Встречаются они и в наше время – их конструкция проста, дешева и надежна. Что самое замечательное, удельный импульс такого двигателя составляет 290 000 м/с. С таким двигателем можно достичь очень больших скоростей. Полет до Альфы Центавра займет 1190 лет, а потребление энергии составляет около 25 МВт. Остался ещё один способ перемещения в космосе – гиперпространство, так любимое фантастами, за счёт коротких перелётов от одной системы к другой. Скорость путешествия через гиперпространство или со скоростями, превышающими скорость света, не зависит от массы. Используемая там технология либо существует по релятивистским законам Эйнштейна, либо по еще не открытым на данный момент законам. Если думать о гиперпространстве как о среде без сопротивления, то теоретически можно за короткое время достигнуть скоростей, в десятки раз превышающих скорости света. Но, к сожалению, это не так по определённым причинам: нет топлива, способного помочь кораблю достичь таких скоростей; в наше время - невозможность войти в гиперпространство; и ещё одна очень весомая причина – перегрузка. Проблематичными моментами в таких путешествиях служат некоторые человеческие нужды.
 

1. Потребность человека в пище, кислороде и запасах воды – в наше время невозможно создать запасы на такие долгие экспедиции, но это не самая важная проблема.

2. Ограниченность продолжительности жизни человека – жизнь человека не бесконечна, поэтому полёты в 60 - 300 лет не очень-то перспективны.

3. Перегрузки вследствие ускорения – дело в том, что человек привык к ускорению в 1g и не может долго находиться при превышающем этот лимит ускорении. А значит, корабли в космосе должны будут ускоряться именно с таким показателем, а повороты будут занимать несколько часов.

Вариант космического корабля

 Если бы мне предложили создать двигатель для космических перелётов, я взял бы лучшее от каждого двигателя и соединил в одно. Но большее предпочтение я отдал бы изучению гиперпространства, так как принцип действия остальных двигателей хоть и понятен, но скорость их мала, по сравнению с мега размерами космических расстояний. Но, по моему мнению, при создании космического корабля нужно немало уделить способам гашения перегрузок, или гасителям инерции, так как без них корабль с экипажем придётся разгонять только с ускорением 1g, и скорость 10с (10 световых) достигается только за 9.5 лет. Также я думаю, для начала нужно найти источник энергии, который занимал бы немного место, но давал бы очень много энергии и был очень долговечным. Все плюсы и минусы космических двигателей Подробно изучив различные проекты космических двигателей, можно составить таблицу с основными параметрами и особенностями каждого из них.